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1、第三章第三章 典型激光器典型激光器任课教师：左青卉任课教师：左青卉光电子技术基础第三章第三章 典型激光器典型激光器（1 1）按工作波段分类）按工作波段分类远红外、红外激光器；可见光激光器；紫外、真空紫外激光器；远红外、红外激光器；可见光激光器；紫外、真空紫外激光器；X光激光器；光激光器；（2 2）按运转方式分类）按运转方式分类连续激光器；脉冲激光器；超短脉冲激光器；连续激光器；脉冲激光器；超短脉冲激光器；（3 3）按工作物质分类）按工作物质分类固体激光器；气体激光器；染料激光器；半导体激光器；固体激光器；气体激光器；染料激光器；半导体激光器；激光器分类激光器分类第三章第三章 典型激光器典型激光
2、器激光器分类激光器分类固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器的基本结构与工作物质固体激光器基本结构固体激光器基本结构由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的图图3-1 固体激光器的基本结构示意图固体激光器的基本结构示意图3.1 固体激光器固体激光器图图3-2 长脉冲固体激光器的基本结构示意图长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出冷却、滤光系统未画出)。红宝石激光器红宝石激光器化学表示式为化学表示式为Cr3+:Al203，激活离子是，激活离子是Cr3+，基质是，基质是A12O3晶体晶体(刚玉刚玉)；红宝石属六方晶系，是
3、无色透明的负单轴晶体。红宝石是在红宝石属六方晶系，是无色透明的负单轴晶体。红宝石是在Al2O3中掺中掺入适量的入适量的Cr3+，使，使Cr3+部分地取代部分地取代Al3+而成。掺入而成。掺入Cr2O3的最佳量一般的最佳量一般在在0.05%(重量比重量比)左右。左右。3.1 固体激光器固体激光器激光工作物质激光工作物质-红宝石晶体红宝石晶体红宝石的光谱特性主要取决于红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+。原子。原子Cr的外层的外层电子组态为电子组态为3d54s1，掺入，掺入Al2O3后失去外层三个电子后失去外层三个电子成为成为Cr3+，Cr3+的最外层电子组态为的最外层电子组态为3d3。红宝石的。红
4、宝石的光谱特性就是光谱特性就是Cr3+的的3d壳层上三个电子发生跃迁的壳层上三个电子发生跃迁的结果。结果。Cr3+在很强的晶格场作用下，呈现出复杂的在很强的晶格场作用下，呈现出复杂的能级分裂和重新组成的情况。通过实验和理论分析，能级分裂和重新组成的情况。通过实验和理论分析，已确定红宝石中已确定红宝石中Cr3+的工作能级属的工作能级属三能级系统三能级系统。3.1 固体激光器固体激光器红宝石激光器红宝石激光器图图3-3 红宝石中铬离子的能级结构红宝石中铬离子的能级结构360nm510nm694.3nm693.4nm如图如图3-3所示，所示，4A2是基态又是激光下能级，其简并度是基态又是激光下能级，
5、其简并度g1=4，2E是亚稳态，它是是亚稳态，它是由能量差为由能量差为29cm-1的的2A和和E二能级组成，其简并度都为二能级组成，其简并度都为2。4F1和和4F2是两个吸收是两个吸收能带。红宝石有两条强荧光谱线能带。红宝石有两条强荧光谱线(R1和和R2线线)，室温下对应的中心波长分别为，室温下对应的中心波长分别为694.3nm和和693.4nm。通常红宝石激光器中只有通常红宝石激光器中只有 694.3nm线才能形成激光输出。线才能形成激光输出。红宝石的吸收光谱如图红宝石的吸收光谱如图3-4所示。由所示。由4A2向向4F1跃迁吸收紫蓝光，峰值波长跃迁吸收紫蓝光，峰值波长在在0.36um附近，称
6、为紫外带或附近，称为紫外带或U带。带。由由4A2向向4F2跃迁吸收黄绿光，峰值波跃迁吸收黄绿光，峰值波长在长在0.51m附近，称为黄绿带或附近，称为黄绿带或Y带。这是两个很强很宽的吸收谱带，带。这是两个很强很宽的吸收谱带，吸收带宽均约吸收带宽均约0.1um左右。左右。图图3-4 红宝石中铬离子的吸收光谱红宝石中铬离子的吸收光谱3.1 固体激光器固体激光器红宝石激光器红宝石激光器由于红宝石晶体的各向异性，它的吸收特性与光的偏振状态有关。在入射光由于红宝石晶体的各向异性，它的吸收特性与光的偏振状态有关。在入射光的振动方向与晶体光轴的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两种情况下，其吸收曲线略有差相垂
7、直或平行这两种情况下，其吸收曲线略有差别，见图别，见图3-4。3.1 固体激光器固体激光器红宝石激光器红宝石激光器机械强度高，能承受很高的激光功率密度；容易生长成较大尺寸；亚稳态机械强度高，能承受很高的激光功率密度；容易生长成较大尺寸；亚稳态寿命长，储能大，可得到大能量输出；荧光谱线较宽，容易获得大能量的寿命长，储能大，可得到大能量输出；荧光谱线较宽，容易获得大能量的单模输出；低温性能良好，可得到连续输出；红宝石激光器输出的红光单模输出；低温性能良好，可得到连续输出；红宝石激光器输出的红光(694.3nm)，不仅能为人眼可见，而且很容易被探测接收，不仅能为人眼可见，而且很容易被探测接收(目前大
8、多数光电目前大多数光电元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高元件和照相乳胶对红光的感应灵敏度较高)。缺点缺点阈值高阈值高(因是三能级因是三能级)和性能易随温度变化。和性能易随温度变化。优点优点Nd3+:YAG的激活离子为的激活离子为Nd3+，基质是，基质是YAG晶体晶体(钇铝石榴石晶体钇铝石榴石晶体Y3Al5O12)。Nd3+部分取代部分取代YAG中的中的Y3+即成为即成为Nd3+:YAG。一般含。一般含Nd3+量为量为1%原子比，原子比，此时此时Nd3+的密度为的密度为1.381020cm-3，颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比，颜色为淡紫色。实际制备时是将一定比例的例的A1203、Y2O3和
9、和Nd2O3在单晶炉中熔化结晶而成。在单晶炉中熔化结晶而成。Nd3+:YAG属立方晶属立方晶系，是各向同性晶体。系，是各向同性晶体。掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)3.1 固体激光器固体激光器激光工作物质激光工作物质-掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石能级结构能级结构掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)3.1 固体激光器固体激光器属于四能级系统。激光上能级是属于四能级系统。激光上能级是4F3/2，激光，激光下能级为下能级为4I11/2，基态为，基态为4I9/2，其主要吸收峰，其主要吸收峰为为0.81 m和和0.75 m，4F3/2 是一个亚稳态。是一个亚稳态。1.06 m
10、比比1.35 m的荧光约强四倍，的荧光约强四倍，1.06 m的谱线先起振，进而抑制的谱线先起振，进而抑制1.35 m谱线起振谱线起振,所以所以Nd3+:YAG激光器通常只产生激光器通常只产生1.06 m激激光。只有采取选频措施，才能实现光。只有采取选频措施，才能实现1.35 m波波长的激光振荡。长的激光振荡。图图3-5 Nd3:YAG 的能级结构的能级结构4F5/24F7/20.81 m0.87m0.75m掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子掺钕钇铝石榴石激光器的激活粒子是钕离子(Nd(Nd3 3)，其吸收光谱如图，其吸收光谱如图(3-6)(3-6)所示。所示。图图3-6 Nd3:YAG 晶
11、体的吸收光谱晶体的吸收光谱掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石(Nd3+：YAG)3.1 固体激光器固体激光器钕玻璃是在光学玻璃中掺入适量的钕玻璃是在光学玻璃中掺入适量的NdNd2 2O O3 3制成的。最佳掺入制成的。最佳掺入NdNd2 2O O3 3量量为为1%-5%1%-5%重量比。对应重量比。对应3%3%的掺入量的掺入量,Nd,Nd3+3+的浓度为的浓度为3103102020/cm/cm3 3。NdNd3+3+在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。在硅酸盐、棚酸盐和磷酸盐玻璃系统用得最多。玻璃的制备工艺比较成熟，易获得良争好的光学均匀性玻璃的制备工艺比较成熟，易获得良争好的光学均匀性,玻璃
12、的形状玻璃的形状和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达和尺寸也有较大的可塑性。大的钕玻璃棒长可达1-2m1-2m，直径，直径30-30-100mm100mm，可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几，可用来制成特大能量的激光器。小的可以做成直径仅几微米的玻璃纤维，用于集成光路中的光放大或振荡。微米的玻璃纤维，用于集成光路中的光放大或振荡。钕玻璃最大的缺点是导热率太低，热胀系数太大，因此不适于作连续钕玻璃最大的缺点是导热率太低，热胀系数太大，因此不适于作连续器件和高频运转的器件，且在应用时要特别注意防止自身破坏。器件和高频运转的器件，且在应用时要特别注意防止自身破坏。3.1 固体激光
13、器固体激光器钕玻璃激光器钕玻璃激光器E4:含三个吸收带含三个吸收带(抽运能带抽运能带)(中心波长中心波长5900A)(中心波长中心波长7500A)(中心波长中心波长8000A)E3:三条激光谱线公共的激光上能级三条激光谱线公共的激光上能级 E2:含二条激光谱线的二个激光下能级含二条激光谱线的二个激光下能级(四能级系统四能级系统),即即(，对应，对应1.4m谱线）谱线）(，对应，对应1.06m谱线）谱线）图图3-7 3-7 钕玻璃的能级结构和跃迁光谱钕玻璃的能级结构和跃迁光谱 E1:基态基态，一条激光谱线的激光下能级一条激光谱线的激光下能级(三能三能级系统级系统):(对应对应0.90.9mm谱线
14、谱线)3.1 固体激光器固体激光器钕玻璃激光器钕玻璃激光器 跃迁谱线跃迁谱线:1.06m:1.06m:四能级系统四能级系统,跃迁几率大跃迁几率大,通常可观察到通常可观察到;1.4m:1.4m:四能级系统四能级系统,跃迁几率较小跃迁几率较小,不一定可观察到不一定可观察到;0.9m:0.9m:三能级系统三能级系统,难实现粒子数反转难实现粒子数反转,一般不出现一般不出现.钕玻璃激光器采用四能级系统，发射的波长是钕玻璃激光器采用四能级系统，发射的波长是1.06m。3.1 固体激光器固体激光器钕玻璃激光器钕玻璃激光器3.2 气体激光器气体激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器He-Ne激光器结构激光
15、器结构由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。放电管是氦一氖激光器的心脏，是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮放电管是氦一氖激光器的心脏，是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦（气室构成。放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（）、氖（Ne）气体，当电极加上）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件
16、放与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成气或吸附气体造成He，Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。放电管一般是用放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用热玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用热胀系数小的石英玻璃制作。激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射胀系数小的石英玻璃制作。激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅
17、射，一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。3.2 气体激光器气体激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器3.2 气体激光器气体激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器3.2 气体激光器气体激光器3.2 气体激光器气体激光器图图3-8 He-Ne激光器的基本结构形式激光器的基本结构形式 He-Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%2，凹面镜为全反射镜。，凹面镜为全反射镜。He-Ne激光管的结构形式是多种多样的，按谐激光管的结构形式是多种多样的，按谐振
18、腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器优点是使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结优点是使用时不必进行调整，非常方便，阴极与毛细管同轴放置，其结构紧凑、不易碎裂，安装方便。构紧凑、不易碎裂，安装方便。缺点是在工作过程中放电管受热变形缺点是在工作过程中放电管受热变形时，谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。时，谐振腔反射镜会偏离相互平行位置，造成器件损耗增加，输出下降。激光管越长，其热稳定性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一激光管越长，其热稳定
19、性越差，所以内腔式激光管的长度一般不超过一米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无米。而且当谐振腔反射镜损坏后，不易更换，反射镜内表面污染后也无法清除。并且由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使用法清除。并且由于阴极放在放电管内，阴极溅射物质易污染窗片，使用寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管寿命低，同时由于阴极大量发射电子，阴极区易发热，使同轴式激光管功率的稳定性不如旁轴式。功率的稳定性不如旁轴式。内腔式内腔式He-Ne激光器激光器3.2 气体激光器气体激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器优点是这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是
20、分离，优点是这种激光器的谐振腔反射镜与放电管是分离，可增加储气量可增加储气量。同时同时溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔溅射物质不易污染窗片，所以寿命比同轴式长，放电管的热变形对谐振腔影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。影响较小，加之谐振腔可以调整，所以长期使用中能保持稳定输出。放电放电管的两端贴有布儒斯特窗片，还可使激光得到线偏振的激光输出。缺点是管的两端贴有布儒斯特窗片，还可使激光得到线偏振的激光输出。缺点是由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方由于反射镜与放电管相分离，相对位置易改变，需要经常调整，使用不方便
21、，体积大，安装便，体积大，安装使用不方便，易破碎。使用不方便，易破碎。外腔式外腔式He-Ne激光器激光器3.2 气体激光器气体激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器He-Ne激光器的工作气体是激光器的工作气体是He和和Ne，其中产生激，其中产生激光跃迁的是光跃迁的是Ne气。气。Ne原子有原子有10个电子，基态个电子，基态1S0(电子分布为电子分布为1S22S22P6)。激发态为。激发态为1S、2S、3S、2P、3P等，它们对应的外层电子组态分别为等，它们对应的外层电子组态分别为2P53s、2P54s、2P55s、2P53P、2P54P。He是辅助是辅助气体，用以提高气体，用以提高Ne原子的
22、泵浦速率。如图原子的泵浦速率。如图3-9所示，所示，He原子有两个电子，没激发时这两个原子都分布原子有两个电子，没激发时这两个原子都分布在在1S0壳层上，壳层上，He原子处于基态。当原子处于基态。当He原子受激原子受激时，使其中一个电子从时，使其中一个电子从1S激发到激发到2S，He原子成为原子成为激发态。激发态。He原子有两个亚稳态能级，分别记为原子有两个亚稳态能级，分别记为23S1、21S0。图图3-9 与激光跃迁有关的与激光跃迁有关的Ne原子原子的部分能级图的部分能级图氦和氖原子的能级图氦和氖原子的能级图3.2 气体激光器气体激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器在在He-Ne激光器
23、中，实现粒子数反转的主要激发过程如下：激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下：第一是共振转移。由能级图可见，第一是共振转移。由能级图可见，He原子的原子的21S0、23S1态分别与态分别与Ne原子原子的的3S、2S态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可态靠得很近，二者很容易进行能量转移，并且转移几率很高，可达达95%，其转移过程如下：，其转移过程如下：He-Ne激光器的激发过程激光器的激发过程3.2 气体激光器气体激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程第二是电子直接碰撞激发。在气体放电过程中，基态中，基态Ne原子与具有一定动能的电
24、子进行原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到非弹性碰撞，直接被激发到2S和和3S态，与共态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。第三是串级跃迁，第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到更与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃迁到高能态，然后再跃迁到2S和和3S态，与前述两态，与前述两过程相比，此过程贡献最小。过程相比，此过程贡献最小。图图3-9 与激光跃迁有关的与激光跃迁有关的Ne原子原子的部分能级图的部分能级图3.2 气体激光器气体激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器He-Ne激光器的激发过程激光器的激发过程根据能量跃迁选择定则
25、，根据能量跃迁选择定则，Ne原子可以产生很多条谱线，其中原子可以产生很多条谱线，其中最强最强的谱线的谱线有三条，即有三条，即0.6328 m、3.39 m和和1.15 m，对应跃迁能级分别为，对应跃迁能级分别为3S22P4，3S23P4和和2S22P4。2P和和3P态，不能直接向基态跃迁，而态，不能直接向基态跃迁，而向向1S态跃迁很快。态跃迁很快。lS态向基态的跃迁是被选择定则禁止的，不能自发地态向基态的跃迁是被选择定则禁止的，不能自发地回到基态，但它与管壁碰撞时，可把能量交给管壁，自己回到基态。这回到基态，但它与管壁碰撞时，可把能量交给管壁，自己回到基态。这就是为什么就是为什么HeNe激光器
26、中要有一根内径较细的放电管的原因。激光器中要有一根内径较细的放电管的原因。从能级图可见，从能级图可见，HeNe激光器是典型的四能级系统。激光器是典型的四能级系统。3.2 气体激光器气体激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器He-Ne激光器的输出特性激光器的输出特性(1)谱线竞争谱线竞争:He-Ne激光器三条强的激光谱线：激光器三条强的激光谱线：3S2P 0.6328 m ，2S2P 1.15 m ，3S3P 3.39 m 中哪一条谱线起振完全取决于谐振中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。腔介质膜反射镜的波长选择。0.6328um和和3.39umm两条激光谱线有共同的激光
27、上能级两条激光谱线有共同的激光上能级3S,而后者增益系而后者增益系数比较高，如果不进行抑制数比较高，如果不进行抑制,则则3.39um的辐射在腔内振荡过程中将消耗大的辐射在腔内振荡过程中将消耗大量的量的3S2态原子。抑制态原子。抑制3.39um辐射的办法主要有辐射的办法主要有:选用对选用对3.39um的光具有低反射率的谐振腔反射镜，使的光具有低反射率的谐振腔反射镜，使3.39um达不到阈达不到阈值条件，如下图所示值条件，如下图所示,在腔内加色散棱镜，将两谱线分开在腔内加色散棱镜，将两谱线分开,通过调整谐振腔通过调整谐振腔反射镜的位置，只允许反射镜的位置，只允许0.6328um的辐射起振，而使的辐
28、射起振，而使3.39um辐射偏离出谐辐射偏离出谐振腔外；振腔外；腔内放置甲烷吸收盒，因为甲烷对腔内放置甲烷吸收盒，因为甲烷对3.39um的光具有强吸收而对的光具有强吸收而对0.6328um的光透明，因此可用甲烷抑制的光透明，因此可用甲烷抑制3.39um振荡振荡;3.2 气体激光器气体激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器外加非均匀磁场也能抑制外加非均匀磁场也能抑制3.39um振荡。根据塞曼效应，磁场可引振荡。根据塞曼效应，磁场可引起谱线分裂，分裂的大小与磁场强度成正比。如果激光管内磁场分起谱线分裂，分裂的大小与磁场强度成正比。如果激光管内磁场分布不均匀，则各处谱线分裂程度不同并连成一片，相
29、当于谱线变宽。布不均匀，则各处谱线分裂程度不同并连成一片，相当于谱线变宽。300高斯非均匀磁场中，两谱线加宽均约高斯非均匀磁场中，两谱线加宽均约900MHz，0.6328umm原谱原谱线半宽度约线半宽度约1500MHz，非均匀磁场对它展宽的比例不大。但，非均匀磁场对它展宽的比例不大。但3.39um原谱线宽只有原谱线宽只有300MHz左右左右,非均匀磁场的加宽比它大几倍。由于增非均匀磁场的加宽比它大几倍。由于增益系数反比于线宽，所以外加非均匀磁场后，益系数反比于线宽，所以外加非均匀磁场后，3.39um的增益系数急的增益系数急剧下降，而剧下降，而0.6328m的增益系数却下降很少。结果提高了的增益
30、系数却下降很少。结果提高了0.63281um的竞争能力，的竞争能力，3.39um则被抑制。外加非均匀磁场的装置则被抑制。外加非均匀磁场的装置如上图所示如上图所示,沿放电管轴向放置许多小磁铁，相邻的极性相同沿放电管轴向放置许多小磁铁，相邻的极性相同,这样这样就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。就可在放电管轴线上形成非均匀磁场。3.2 气体激光器气体激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器(2)He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。激光器的放电电流对输出功率影响很大。图图3-10 输出功率与放电电流的关系曲线输出功率与放电电流的关系曲线 图图3-10表示输出功率与放电电流的关系曲线。表示输
31、出功率与放电电流的关系曲线。曲线表明曲线表明:在气压比为定值时，每个总气压都存在气压比为定值时，每个总气压都存在一个输出最大的放电电流，其大小随着总气压在一个输出最大的放电电流，其大小随着总气压的升高而降低的升高而降低,这是因为气压升高，只需要较小这是因为气压升高，只需要较小的放电电流就能得到相同的电子密度。的放电电流就能得到相同的电子密度。在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流叫最佳放电电流3.2 气体激光器气体激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器 He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条激光器存在着
32、最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。件。实验发现，氦气与氖气的分压比为实验发现，氦气与氖气的分压比为71时是最佳分压比。而总压强在时是最佳分压比。而总压强在100Pa400Pa。选用选用He气作辅助气体的原因气作辅助气体的原因:Ne原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能级原子不能直接被电子碰撞激发到激光上能级；He*与与Ne*能级极相近能级极相近,易发生能量共振转移易发生能量共振转移。若放电毛细管的直径为若放电毛细管的直径为d，充气压强为，充气压强为p，则存在一个使输，则存在一个使输出功率最大的最佳出功率最大的最佳pd值。值。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径在最佳放电
33、条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。成反比。3.2 气体激光器气体激光器氦氦-氖氖(He-Ne)激光器激光器CO2激光器的主要特点是输出功率大，能量转换效率高，输出波激光器的主要特点是输出功率大，能量转换效率高，输出波(10.6um)，广泛用于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。广泛用于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。CO2激光器以激光器以CO2、N2和和He的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在CO2分子的电子基态的两个分子的电子基态的两个振动振动-转动能级之间。转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的激励效率，有助于激光的作用是提
34、高激光上能级的激励效率，有助于激光下能级的抽空。下能级的抽空。二氧化碳激光器二氧化碳激光器3.2 气体激光器气体激光器CO2激光器的结构激光器的结构图图3-11 封离式封离式CO2激光器结构示意图激光器结构示意图构成构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。二氧化碳激光器二氧化碳激光器3.2 气体激光器气体激光器图图3-12 与产生激光有关的与产生激光有关的CO2分子能级图分子能级图CO2激光器中激光器中,通过以下三个过程将通过以下三个过程
35、将CO2分子分子激发到激发到0001能级能级1.直接电子碰撞直接电子碰撞电子与基态电子与基态(0000)CO2分子碰撞使其激发到激分子碰撞使其激发到激光上能级。这一过程可表示为光上能级。这一过程可表示为 CO2(0000)+e CO2(0001)+eCO2激光器的激发过程激光器的激发过程 2.级联跃迁级联跃迁 电子与基态电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到分子碰撞使其跃迁到000n能级能级,基态基态CO2分子与高分子与高能级能级CO2分子碰撞后跃迁到激光上能级分子碰撞后跃迁到激光上能级,此过程可表示为此过程可表示为:CO2(0000)+CO2(000n)CO2(0001)+CO2(000n-1)
36、二氧化碳激光器二氧化碳激光器3.2 气体激光器气体激光器3.共振转移共振转移由于由于N2分子分子(v=0)能级和电子碰撞后跃迁到能级和电子碰撞后跃迁到v=1的振动能级。这是一个寿的振动能级。这是一个寿命较长的亚稳态能级，因而可积累较多的命较长的亚稳态能级，因而可积累较多的N2分子，基态分子，基态CO2分子与亚稳分子与亚稳态态N2分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级。这一过程可表示为分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级。这一过程可表示为 CO2(0000)+N2(v=1)CO2(0001)+N2(v=0)由于由于CO2分子分子0001能级与能级与N2分子分子v=1能级十分接近能级十分接近,能量转
37、移十分迅速。此外能量转移十分迅速。此外,N2分子的分子的v=24能级与能级与CO2分子分子00020004也十分接近也十分接近,相互间也能发生共振相互间也能发生共振转移转移,处于处于00020004的的CO2分子与基态分子与基态CO2分子碰撞可将它激励至分子碰撞可将它激励至0001能级。能级。在以上三种激发途径中在以上三种激发途径中,共振转移的几率最大共振转移的几率最大,作用也最为显著。作用也最为显著。二氧化碳激光器二氧化碳激光器3.2 气体激光器气体激光器CO2分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气体分子间的碰撞。分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气体分子间的碰撞。一旦实现了一旦实现了(0001)
38、与与(1000)、(0200)之间的粒子数反转，即可通之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产生过受激辐射，产生:00011000跃迁产生跃迁产生10.6um波长的激光光波长的激光光00010200跃迁产生跃迁产生9.6um波长的激光。波长的激光。由于以上跃迁具有同一上能级由于以上跃迁具有同一上能级,而且而且00011000跃迁的几率大得多跃迁的几率大得多,所以所以C02激光器通常只输出激光器通常只输出10.6m激光。若要得到激光。若要得到9.6um的激光的激光振荡振荡,则必须在谐振腔中放置波长选择元件抑制则必须在谐振腔中放置波长选择元件抑制10.6um激光振荡。激光振荡。二氧化碳激光器二氧化碳
39、激光器3.2 气体激光器气体激光器CO2激光器的输出特性激光器的输出特性 相应于相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的最激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。实验指出：随着管径增大，最佳放电电流也增大。实验指出：随着管径增大，最佳放电电流也增大。例如：管径为例如：管径为 2030mm 时，最佳放电电流为时，最佳放电电流为3050mA 管径为管径为5090mm 时，最佳放电电流为时，最佳放电电流为120150mA(1)(1)放电特性放电特
40、性 二氧化碳激光器二氧化碳激光器3.2 气体激光器气体激光器CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40，这就是说，将有这就是说，将有60以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起是，气体
41、温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的分子的分解，降低放电管内的CO2分子分子浓度。浓度。(2)(2)温度效应温度效应 二氧化碳激光器二氧化碳激光器3.2 气体激光器气体激光器Ar+离子激光器离子激光器Ar激光器的结构激光器的结构 由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。图图3-13 分段石墨结构分段石墨结构Ar+激光器示意图激光器示意图3.2 气体激光器气体激光器Ar+激光器的激活粒子是激光器的激活粒子是Ar+，Ar+激光器的激光器的激发过程分两步进行：激发过程分两步进行：通过气体放电，将通过气体放电，将氩原子氩原子Ar电
42、离；电离；再通过放电激励将再通过放电激励将Ar+激激发到激光上能级。发到激光上能级。中性中性Ar原子在放电过程中，与快速电子碰撞原子在放电过程中，与快速电子碰撞后电离，形成处在基态后电离，形成处在基态P5上的上的Ar+离子。该基离子。该基态态Ar+离子再与高速电子碰撞，被激发到高能离子再与高速电子碰撞，被激发到高能态。当激光上下能级间生产粒子数反转时，态。当激光上下能级间生产粒子数反转时，即可生产激光。其中激光上能级为即可生产激光。其中激光上能级为3P44P1，激光下能级为激光下能级为3P44S1，最强发射谱线位于，最强发射谱线位于528.7nm和和514.5nm。图图3-14 产生激光有关的
43、产生激光有关的Ar+的能级结构图的能级结构图Ar激光器的激发机理激光器的激发机理Ar+离子激光器离子激光器3.2 气体激光器气体激光器激光跃迁上能级激光跃迁上能级(3P44P)粒子的积聚主要通过三种途径实现粒子的积聚主要通过三种途径实现:(1)基态基态Ar+与电子碰撞后直接跃迁到与电子碰撞后直接跃迁到3P44P 能级能级;(2)基态基态Ar+与电子碰撞后跃迁至高于与电子碰撞后跃迁至高于3P44P 的其他能级，再通过级联辐的其他能级，再通过级联辐射跃迁至射跃迁至3P44P 能级能级;(3)基态基态Ar+和电子碰撞跃迁至低于和电子碰撞跃迁至低于3P44P 的亚稳态能级后再次与电子碰的亚稳态能级后再
44、次与电子碰撞并跃迁至撞并跃迁至3P44P 能级。能级。由于由于Ar原子的电离能量原子的电离能量(15eV)和激光跃迁上能级的激发能量和激光跃迁上能级的激发能量(20eV)较较高高,正常运转所要求的平均电子动能正常运转所要求的平均电子动能(电子温度电子温度)很高。为了提高电子温度，很高。为了提高电子温度，氩离子激光器中的充气压强一般在氩离子激光器中的充气压强一般在150Pa以下。但低压强又意味着以下。但低压强又意味着Ar原子密原子密度小，为了提高电离和激发速率，必须增加放电管内的电子密度。度小，为了提高电离和激发速率，必须增加放电管内的电子密度。Ar+离子激光器离子激光器3.2 气体激光器气体激
45、光器Ar激光器的工作持性激光器的工作持性(1)多谱线工作多谱线工作 激光跃迁发生在激光跃迁发生在Ar+的电子组态的电子组态3P44P和和3P44S之间。前者的寿命约为之间。前者的寿命约为10-8s，后者通过自发辐射迅速消激发，其寿命约为后者通过自发辐射迅速消激发，其寿命约为10-9s。由于。由于3p44P和和3P44S电子组电子组态均对应若干子能级，所以连续工作的氩离子激光器可产生态均对应若干子能级，所以连续工作的氩离子激光器可产生9条蓝绿激光谱线条蓝绿激光谱线,对应每条谱线都有一个阈值电流对应每条谱线都有一个阈值电流。其中以。其中以488nm和和514.5nm谱线最强。在谐谱线最强。在谐振腔
46、内插入棱镜等色散元件，可以获得单谱线激光。振腔内插入棱镜等色散元件，可以获得单谱线激光。Ar+离子激光器离子激光器3.2 气体激光器气体激光器(2)输出功率与放电电流的关系输出功率与放电电流的关系 由于由于Ar+激光器特殊的激发机制，激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同，图与其它激光器有所不同，图5-15示示出了其间的关系曲线。出了其间的关系曲线。图图3-15 Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线激光器输出功率随放电电流变化曲线放电电流较小时输出功率与放电电流成四次方的关系，随着放电电流放电电流较小时输出功率与放电电流成四次方
47、的关系，随着放电电流的增大，输出功率与放电电流成平方的关系。这是因为，随着电流密的增大，输出功率与放电电流成平方的关系。这是因为，随着电流密度的增大，使气体温度升高，激光谱线变宽，因而其增益随电流增长度的增大，使气体温度升高，激光谱线变宽，因而其增益随电流增长的速度变慢。的速度变慢。Ar+离子激光器离子激光器3.2 气体激光器气体激光器3.4 半导体激光器半导体激光器半导体激光器特点是超小型、高效率、低成本、工作速度快和波长范围宽等。它半导体激光器特点是超小型、高效率、低成本、工作速度快和波长范围宽等。它是激光光纤通信的重要光源，在光存储、激光高速印刷、全息照相、激光准直、是激光光纤通信的重要
48、光源，在光存储、激光高速印刷、全息照相、激光准直、测距及医疗等许多方面广泛应用。测距及医疗等许多方面广泛应用。半导体激光器半导体激光器半导体激光器是以半导体激光器是以半导体材料半导体材料作为激光工作物质的；作为激光工作物质的；电子跃迁发生在半导体材料电子跃迁发生在半导体材料导带导带中的电子态和中的电子态和价带价带中的空穴态之间；中的空穴态之间；在电流或光的激励下，半导体价带中的电子可以获得能量，跃迁到导带上，在在电流或光的激励下，半导体价带中的电子可以获得能量，跃迁到导带上，在价带中形成一个价带中形成一个空穴空穴，这相当于，这相当于受激吸收过程受激吸收过程；价带中的空穴也可被从导带跃；价带中的
49、空穴也可被从导带跃迁下来的电子填补而复合。在复合时，电子把多余能量以光子形式释放出来，迁下来的电子填补而复合。在复合时，电子把多余能量以光子形式释放出来，这相当于这相当于自发辐射或受激辐射自发辐射或受激辐射。半导体的能带半导体的能带3.4 半导体激光器半导体激光器半导体的能带半导体的能带3.4 半导体激光器半导体激光器电子共有化运动电子共有化运动构成半导体激光器的工作物质是半导体晶体。在半导体晶体中，电子的构成半导体激光器的工作物质是半导体晶体。在半导体晶体中，电子的运动状态和单个原子时的情况大不相同，尤其是其外层电子有了明显的运动状态和单个原子时的情况大不相同，尤其是其外层电子有了明显的变化
50、，即所谓的变化，即所谓的“共有化运动共有化运动”。半导体的能带半导体的能带量子力学证明：当量子力学证明：当N个原子相接近形成晶体时，由于共有化运动，原来单个原子个原子相接近形成晶体时，由于共有化运动，原来单个原子中每一个允许能级要分裂成中每一个允许能级要分裂成 N个与原来能级很接近的新能级。在实际的晶体中，个与原来能级很接近的新能级。在实际的晶体中，由于原子数目由于原子数目N非常大，新能级又与原来能级非常接近，所以两个新能级间距离非常大，新能级又与原来能级非常接近，所以两个新能级间距离很小（相互间的能级差为很小（相互间的能级差为10-22），几乎可把这一段能级看作是连续的。我们便，几乎可把这一